Fabrication and characterization of porous aluminum and zinc via selective dissolution of AI-Zn alloys

Abstract

Chemical dealloying can be used to fabricate porous metals by removing one or more of the species out of an alloy. Generally, a corrosive electrolyte is used to selectively dissolve a noble element. Alloy concentration, microstructure, applied electric potentials and corrosive medium are the main aspects affecting the morphology of porosity. By controlling these parameters, scientists have been able to design the size of porosity to the extent of creating nanoporous metals. Pores can be tuned between less than 2 nanometers up to the submicron range. Because of their high surface area, these materials can be used as skeletal catalysts. Some metals, like gold, become chemically active once they become nanoporous, while others can be functionalized with a more noble metal to produce catalysts with low precious metal loading. Porous zinc and porous aluminum have been successfully fabricated via selective dissolution of various Al-Zn alloys. Different Al-Zn alloys ranging from 15 to 70 at. % zinc were cast with fast cooling rates to promote finer microstructure. The alloy specimens were cut and polished prior to the selective corrosion to favor a uniform dealloying process. Sodium hydroxide (NaOH) and nitric acid (HNO3) solutions were used to selectively remove the aluminum and zinc atoms respectively. An electrical potential was applied to the samples to increase corrosion energy and help promote porosity formation. Concentration and cooling rate were varied to observe their effect on the attained pore size. The microstructure of the resulting porous sponge was characterized using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The presence and distribution of zinc and aluminum along dendrites were analyzed using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Our results revealed that porosity depends highly on Zn concentration and precursor microstructure resulting from cooling rate upon alloy fabrication. A complete removal of zinc crystals was achieved when Al-Zn alloys were treated with HNO3. Moreover, a complete removal of aluminum phase was observed when the alloys were corroded in NaOH. EDS results evinced the preferential distribution of zinc around aluminum rich dendrites with some zinc atoms dissolved into the dendrites. This directly affected the morphology of porosity.

El proceso de des-aleación química puede ser utilizado para crear metales porosos. Esta técnica remueve preferencialmente una especie o un elemento fuera de una aleación. Generalmente se utiliza un medio electrolítico corrosivo para disolver el elemento menos noble. Los aspectos más importantes que afectan la porosidad final son la concentración de la aleación, su microestructura, el potencial eléctrico aplicado y el medio corrosivo. Al controlar estas variables, los científicos han logrado crear metales porosos hasta con porosidad nanométrica. La porosidad puede ser modificada, desde menos de 2nm hasta llegar al rango submicrométrico. El área superficial alta de estos metales les permite ser candidatos ideales para fungir como catalizadores esqueletales. Algunos metales, por ejemplo el oro, se vuelven activos catalíticamente luego de nanoporosos. Otros no activos, luego de ser nanoporosos, se pueden funcionalizar y recubrir con algún material catalítico. Esto crea un material activo con alta área superficial y poca cantidad del mismo. Aluminio y zinc poroso han sido fabricados exitosamente utilizando el método de disolución selectiva en varias aleaciones de Al-Zn. Aleaciones de Al-Zn con diferentes concentraciones fueron fundidas y enfriadas rápidamente para promover microestructuras pequeñas. Estas concentraciones variaron desde 15 hasta 70 porciento atómico de zinc. Las muestras fueron cortadas y pulidas antes de la corrosión para eliminar efectos superficiales y favorecer una corrosión uniforme. Soluciones de hidróxido de sodio (NaOH) y acido nítrico (HNO3) fueron utilizadas para remover átomos de aluminio y zinc respectivamente. Un potencial eléctrico fue aplicado para aumentar la energía de corrosión y ayudar a promover la formación de poros. La concentración de las aleaciones y las razones de enfriamiento fueron variadas para observar su efecto en la porosidad obtenida. La microestructura del metal poroso fue caracterizada utilizando difracción de rayos X (XRD) y microscopio de rastreo electrónico (SEM). La distribución y saturación de zinc y aluminio en las dendritas fueron observadas utilizando espectroscopia de rayos X (EDS). Nuestros resultados revelan que la morfología de la porosidad depende grandemente de la concentración de zinc en las muestras y de la microestructura obtenida por los métodos de enfriamiento. Une remoción completa de cristales de zinc se logro utilizando HNO3. Por otro lado, cuando las aleaciones se atacaban con NaOH los cristales de aluminio eran disueltos. Los resultados de EDS evidenciaron la sobresaturación de zinc en las dendritas ricas en aluminio. También permitieron observar la presencia preferencial de átomos de zinc en las fronteras de las mismas. Esta microestructura afecto directamente la morfología final de la porosidad.